Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu phương pháp và xây dựng mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng hồng ngoại 8-12 µm" do nghiên cứu sinh Trần Anh Quang thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số: 9 52 01 03), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Duy Tuấn và PGS. TS Lê Hoàng Hải (bảo vệ năm 2023).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thiết bị ảnh nhiệt (TBAN) hoạt động tại các dải sóng hồng ngoại, đặc biệt là vùng hồng ngoại sóng trung (MWIR: 3–5 µm) và hồng ngoại sóng dài (LWIR: 8–12 µm), giữ vai trò quan trọng trong các ứng dụng trinh sát, quan sát và đo đạc cả trong dân sự lẫn quân sự nhờ khả năng hoạt động trong đêm tối hoàn toàn, xuyên sương khói và nhận biết các nguồn nhiệt có độ chênh lệch nhỏ (cỡ vài chục mili-Kelvin). Trong hệ thống thiết bị ảnh nhiệt, vật kính quang học là thành phần đóng vai trò quyết định đến năng lượng bức xạ hội tụ trên đầu thu cũng như chất lượng ảnh nhiệt tổng thể.

Tuy nhiên, tại Việt Nam, năng lực đo lường và kiểm tra quang học hồng ngoại tồn tại một khoảng trống kỹ thuật lớn:

  • Các đơn vị trong nước (như Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự) mới chỉ trang bị thiết bị đo kiểm các chỉ tiêu của cụm camera ảnh nhiệt hoàn chỉnh (core ảnh nhiệt), chưa có trang thiết bị chuyên dụng để đo kiểm các thông số quang học cơ bản (tiêu cự, hàm truyền quang học, độ phân giải) của từng thấu kính hoặc cụm ống kính hồng ngoại phục vụ khâu gia công, chế tạo và tích hợp.
  • Các thiết bị đo kiểm ống kính hồng ngoại thương mại trên thế giới (như của Optikos, Trioptics, Inframet) có chi phí đầu tư rất lớn và chưa được chuyển giao phổ biến tại các phòng thí nghiệm trong nước.
  • Trong tính toán thiết kế và chế tạo các hệ quang học chuẩn trực và đo kiểm, yếu tố biến dạng cơ học của linh kiện quang học (gương, thấu kính) do lực gá kẹp gây suy giảm quang sai mặt sóng vẫn chưa có phương pháp số hóa tường minh kết nối giữa cơ học kết cấu và quang học sóng.

Do đó, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phát triển phương pháp tính toán tương tác cơ - quang và chế tạo mô hình thiết bị đo kiểm chất lượng tạo ảnh của hệ quang hồng ngoại 8–12 µm là yêu cầu cấp thiết từ thực tiễn nghiên cứu và sản xuất khí tài quang điện tử.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng giải pháp kỹ thuật và mô hình thiết bị nhằm đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học (HTQH) ảnh nhiệt làm việc trong vùng phổ hồng ngoại 8–12 µm.

Nội dung nghiên cứu (được đánh số theo văn bản):

  1. Nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng ảnh của hệ quang ảnh nhiệt để lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp cho luận án.
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ cấu gá lắp cơ khí đến quang sai mặt sóng của linh kiện quang học phục vụ cho thiết kế, chế tạo các thành phần trong hệ thống đo.
  3. Xây dựng mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của HTQH làm việc trong vùng phổ hồng ngoại 8–12 µm.
  4. Nghiên cứu thuật toán xác định hàm nhòe đường (LSF) và hàm truyền điều biến (MTF) của HTQH ảnh nhiệt cần kiểm tra.
  5. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo của mô hình thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng hồng ngoại 8–12 µm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào các hệ thống quang học tạo ảnh làm việc trong dải phổ hồng ngoại bước sóng dài LWIR (8–12 µm); các linh kiện cơ quang trong cụm chuẩn trực phản xạ và vật kính hiển vi trung gian; phương pháp đo quang sai mặt sóng và các hàm truyền quang học LSF, MTF.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong văn bản

Trong tổng quan lịch sử phát triển thiết bị ảnh nhiệt và kỹ thuật đo kiểm quang học, tác giả điểm lại các mốc và công trình khoa học tiêu biểu:

  1. Lịch sử phát triển thiết bị ảnh nhiệt: Trải qua 3 thế hệ:
    • Thế hệ I: Sử dụng đầu thu một phần tử hoặc dãy phần tử kết hợp hệ quét cơ khí phức tạp, đầu thu quang trở InSb, Ge-Hg; cuối thập niên 70 phát triển công nghệ SPRITE (Signal Processing In The Element) và ghép điện tích CCD.
    • Thế hệ II: Tăng số phần tử thu lên hàng ngàn phần tử, giảm bớt cơ cấu quét cơ quang, ứng dụng đầu thu tích hợp xử lý tín hiệu không dây dẫn.
    • Thế hệ III: Sử dụng ma trận phẳng hội tụ (FPA) với hàng vạn điểm ảnh (128×128, 256×256, 320×240...), loại bỏ hoàn toàn hệ quét cơ khí, xử lý tín hiệu thời gian thực.
  2. Các phương pháp và mô hình hàm truyền quang học:
    • Lý thuyết hàm nhòe điểm (PSF), hàm nhòe đường (LSF), hàm nhòe cạnh (ESF) và hàm truyền điều biến (MTF) dựa trên biến đổi Fourier của hệ thống quang học tuyến tính bất biến theo không gian (Goodman, Boreman).
    • Xử lý giới hạn tần số Nyquist và suy giảm năng lượng trong phép đo PSF (trung bình nhiều mẫu).
    • Phương pháp đo ESF và làm khớp hàm thực nghiệm: hàm Bentzen, hàm Gaussian và hàm mũ đề xuất bởi Yin, hàm Fermi đề xuất bởi Tzannes; phương pháp cạnh nghiêng theo tiêu chuẩn ISO 12233.
  3. Các thiết bị đo kiểm quang học hồng ngoại thương mại:
    • LensCheck LWIR (Optikos - Mỹ): Sử dụng ống chuẩn trực khúc xạ, đo hàm LSF để tính toán MTF thời gian thực thông qua công nghệ Video MTF.
    • ORI (Inframet - Ba Lan): Sử dụng ống chuẩn trực phản xạ gồm gương parabol lệch trục và gương phẳng (quang sai mặt sóng yêu cầu nhỏ hơn $\lambda/10$), đánh giá qua hàm ESF trên dải phổ rộng từ VIS đến LWIR.
    • ImageMaster Universal (Trioptics - Đức): Hệ thống đo đa năng dạng mô-đun gắn theo phương ngang, sử dụng phương pháp đo hàm LSF cho các dải phổ từ UV đến LWIR.
  4. Nghiên cứu về biến dạng bề mặt do cơ cấu gá lắp quang học:
    • Schwesinger (1954): Các nghiên cứu đặt nền móng về gá lắp gương khẩu độ lớn.
    • Malvick: Phân tích biến dạng đàn hồi của gương đường kính 230 mm và 154 mm trong các sơ đồ gá đặt.
    • Hatheway: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) mô hình hóa biến dạng gương cầu dưới tác dụng của cấu trúc gá kẹp.
    • Xu Rongwei, Liu Liren, Luan Zhu, Liu Hongzhan: Phân tích ảnh hưởng của lực gá lắp trong các phương án bố trí gương cho hệ giao thoa kế.
    • Chia-Yen Chan, Zhen-Ting You, Ting-Ming Huang, Yi-Cheng Chen, Fong-Zhi Chen: Thử nghiệm điều chỉnh biến dạng bề mặt gương trực chuẩn đường kính 620 mm.
  5. Tình hình nghiên cứu trong nước:
    • Công bố về phương pháp isophotometric nhằm mở rộng dải động của camera để nâng cao độ chính xác đo kiểm, tuy nhiên chỉ mới áp dụng cho hệ thống quang học làm việc trong dải ánh sáng nhìn thấy (VIS). Chưa có công bố nào về đo kiểm hệ quang hồng ngoại dải 8–12 µm.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình quốc tế về biến dạng cơ quang chủ yếu đưa ra kết quả tính toán riêng lẻ cho từng kết cấu mà chưa trình bày một quy trình toán học hoàn chỉnh, tường minh kết nối trực tiếp dữ liệu chuyển vị phần tử hữu hạn (FEM) sang phần mềm thiết kế quang học (Zemax) thông qua đa thức Zernike Standard, đồng thời thiếu thực nghiệm đối chứng định lượng. Về mặt thực tiễn trong nước, chưa có mô hình thiết bị hoàn chỉnh nào có khả năng kiểm tra hàm LSF, MTF và tiêu cự của các hệ quang học hồng ngoại 8–12 µm. Luận án chọn giải quyết đồng thời hai khoảng trống này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

  • Quang học sóng và quang sai mặt sóng: Mô tả quá trình tạo ảnh của hệ quang học như sự biến đổi từ mặt sóng cầu trong không gian vật thành mặt sóng hội tụ trong không gian ảnh. Sự sai lệch giữa mặt sóng thực tế tại đồng tử ra và mặt sóng cầu lý tưởng được xác định là sai sóng. Quang sai mặt sóng được định lượng qua hai giá trị: sai số đỉnh - đáy (Peak to Valley - PV) và sai số bình phương trung bình (Root Mean Squared - RMS).
  • Mối quan hệ toán học giữa các hàm đặc trưng chất lượng ảnh:
    • Hàm nhòe điểm (PSF - Point Spread Function): $h(x, y) = |\mathcal{F}^{-1}{f(x, y)}|^2$, với $f(x,y)$ là hàm đồng tử. Khi hệ thống không có quang sai, hàm PSF tạo nên đĩa Airy với đường kính $D = 1,22 \lambda / A_0$ ($A_0$ là khẩu độ chùm tia), cực đại trung tâm chứa 83,8% năng lượng.
    • Hàm nhòe đường (LSF - Line Spread Function): Tích phân 1 chiều của hàm PSF: $LSF(x) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(x, y) dy$.
    • Hàm nhòe cạnh (ESF - Edge Spread Function): Tích phân của hàm LSF: $ESF(x) = \int_{-\infty}^{x} LSF(x') dx'$. Khi đó $LSF(x) = \frac{d}{dx}ESF(x)$.
    • Hàm truyền quang học (OTF) và hàm truyền điều biến (MTF): $OTF(\nu) = \mathcal{F}{LSF(x)}$, với $MTF(\nu) = |OTF(\nu)|$.
  • Đa thức Zernike Standard: Sử dụng hệ đa thức trực giao Zernike trên hình tròn đơn vị $M_j(\rho, \theta)$ với các hệ số $A_j$ để mô tả chính xác độ biến dạng bề mặt quang học tự do sau khi chịu lực cơ học.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa biến dạng đàn hồi của vật thể liên tục thông qua phương trình cân bằng kết cấu tổng thể: $[K]{U} = {F}$, trong đó $[K]$ là ma trận độ cứng, ${F}$ là véc-tơ ngoại lực gá kẹp, ${U}$ là véc-tơ chuyển vị của các điểm nút.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp tính toán mô phỏng lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chế tạo - đo kiểm:

  • Phương pháp lý thuyết và mô phỏng số:
    • Sử dụng phần mềm ANSYS để chia lưới phần tử hữu hạn, mô phỏng lực gá kẹp và tính toán tọa độ chuyển vị cục bộ của các điểm nút trên bề mặt linh kiện quang học.
    • Xây dựng thuật toán và chương trình (viết bằng ngôn ngữ Delphi) để làm khớp (surface fitting) các điểm nút biến dạng với phương trình mặt phi cầu và tính toán bộ hệ số đa thức Zernike Standard $A_j$.
    • Nhập các hệ số Zernike vào phần mềm thiết kế quang học Zemax để tái lập bề mặt quang học bị biến dạng, từ đó tính toán biến thiên quang sai mặt sóng PV và RMS.
    • Thiết kế tối ưu hóa hệ quang học chuẩn trực phản xạ và hệ thấu kính vật kính hiển vi trên phần mềm Zemax.
    • Xây dựng thuật toán xử lý ảnh số: lọc nhiễu, chuẩn hóa dữ liệu độ xám, lấy đạo hàm/tích phân, và thực hiện biến đổi Fourier nhanh (FFT) 1D để xác định đường cong LSF và MTF.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Gia công kết cấu gá kẹp gương cầu thực nghiệm, tác dụng các cấp lực nén khác nhau (lên tới 200 N).
    • Đo đạc quang sai mặt sóng thực tế bằng giao thoa kế laser Zygo (bước sóng He-Ne $\lambda = 0,6328$ µm) để đối chứng với kết quả mô phỏng ANSYS - Zemax.
    • Chế tạo cụm cơ khí ống chuẩn trực phản xạ, gia công các thấu kính vật kính hiển vi bằng vật liệu quang hồng ngoại; kiểm tra sai số biên dạng bề mặt bằng máy đo quang học quy đổi về bước sóng $\lambda = 10,6$ µm của nguồn laser $\text{CO}_2$.
    • Lắp ráp mô hình thiết bị đo kiểm hoàn chỉnh trên bàn quang học chống rung, tiến hành đo kiểm thực nghiệm trên các mẫu vật kính ảnh nhiệt thực tế.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu thông số thiết kế kết cấu cơ khí, mô hình 3D trên ANSYS và sơ đồ quang học trên Zemax.
  • Dữ liệu ảnh giao thoa và bản đồ pha thu nhận từ giao thoa kế Zygo.
  • Dữ liệu ảnh nhiệt độ xám của các loại mục tiêu (mia khe, mia lỗ 0,3175 mm, mia lỗ 10 µm, mia chữ H) thu từ camera ảnh nhiệt và bộ lấy khung hình (frame grabber).
  • Thông số kỹ thuật công bố của các mẫu vật kính ảnh nhiệt thương mại (hãng FLIR và các mẫu ống kính tiêu chuẩn) dùng làm mẫu đối chứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thiết bị ảnh nhiệt và vấn đề đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng phổ hồng ngoại

Chương này tổng kết cơ sở khoa học về bức xạ hồng ngoại, cấu trúc thiết bị ảnh nhiệt, các phương pháp đo chất lượng ảnh và phân tích yêu cầu kỹ thuật của từng khối chức năng trong hệ thống đo kiểm:

  • Đặc tính truyền qua của khí quyển: Phân tích hai cửa sổ quang học chính MWIR (3–5 µm) và LWIR (8–14 µm).
  • Cấu trúc thiết bị ảnh nhiệt: Gồm hai khối chính là đầu thu ảnh nhiệt (core ảnh nhiệt, bao gồm loại làm lạnh độ nhạy 25 mK và loại không làm lạnh độ nhạy 50 mK) và ống kính quang học hội tụ bức xạ.
  • So sánh 4 phương pháp đo chất lượng ảnh:
    • Đo hàm PSF: Đầy đủ thông tin nhất nhưng tín hiệu năng lượng qua lỗ nhỏ kích thước micromet bị suy giảm mạnh, yêu cầu đầu thu cực kỳ nhạy, chịu ảnh hưởng lớn của nhiễu và giới hạn lấy mẫu Nyquist.
    • Đo hàm LSF: Sử dụng mục tiêu dạng khe sáng (tập hợp các điểm), mức năng lượng truyền qua cao hơn nhiều so với PSF, xử lý sai số pha và tần số cao bằng phương pháp lấy trung bình nhiều khung ảnh.
    • Đo hàm ESF: Sử dụng mục tiêu dạng cạnh, chế tạo đơn giản nhưng phải qua bước vi phân trung gian để ra LSF, sai số làm khớp phụ thuộc mô hình xấp xỉ (Bentzen, Fermi, Gaussian).
    • Đo hàm MTF: Tiêu chuẩn trực quan đánh giá sự suy giảm độ tương phản theo tần số không gian, được tính gián tiếp qua biến đổi Fourier của PSF hoặc LSF.
  • Lựa chọn phương án của luận án: Chọn phương pháp đo hàm nhòe đường LSF để xác định hàm truyền điều biến MTF; chọn hệ chuẩn trực phản xạ dùng gương chính lệch trục và gương phẳng thứ cấp kết hợp vật kính hiển vi phóng đại trung gian.
  • Yêu cầu kỹ thuật đối với các thành phần trong hệ thống đo:
    • Hệ chuẩn trực: Sai số mặt sóng nhỏ hơn $\lambda/10$; tiêu cự lớn hơn ít nhất 5 lần tiêu cự hệ quang cần đo; khẩu độ thông quang lớn hơn tối thiểu 10% khẩu độ hệ kiểm tra (tối ưu trong khoảng 100–200 mm, số F từ 5 đến 12); dải phổ phản xạ bao phủ từ 1 đến 15 µm.
    • Nguồn bức xạ vật đen tuyệt đối: Dạng khoang (độ phát xạ $> 0,995$) hoặc dạng phẳng phủ sơn chuyên dụng (độ phát xạ 0,97); sử dụng phần tử nhiệt điện Peltier (TEC) cho dải nhiệt độ $-25^\circ\text{C}$ đến $+75^\circ\text{C}$, độ phân giải nhiệt độ $0,1\text{ mK}$, độ ổn định $1\text{ mK}$, độ đồng đều $10\text{ mK}$, diện tích phát xạ $\ge 50\text{ mm}$.
    • Hệ mục tiêu hồng ngoại: Mia khe, mia lỗ, mia cạnh, mia chữ H gắn trên đĩa quay điều khiển tự động.
Thành phần thiết bị Yêu cầu kỹ thuật chính Giải pháp lựa chọn trong luận án
Ống chuẩn trực Dải phổ rộng 1–15 µm, không sắc sai, sai sóng $< \lambda/10$ Hệ hai gương phản xạ (gương cầu/parabol lệch trục + gương phẳng)
Nguồn bức xạ Dải nhiệt $-25^\circ\text{C} \div +75^\circ\text{C}$, độ ổn định $1\text{ mK}$ Vật đen nhiệt điện Peltier (TEC), diện tích phát xạ $\ge 50\text{ mm}$
Phương pháp đo Tín hiệu năng lượng ổn định, độ chính xác cao Đo hàm nhòe đường LSF $\rightarrow$ biến đổi Fourier 1D sang MTF
Bộ phóng đại phụ trợ Phóng đại vết ảnh lên kích thước ma trận cảm biến Vật kính hiển vi quang học hồng ngoại

Chương 2: Phương pháp tính ảnh hưởng của kết cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng của linh kiện quang học

Chương này xây dựng quy trình số hóa hoàn chỉnh để đánh giá ảnh hưởng của lực kẹp cơ khí đến chất lượng bề mặt quang học:

  • Quy trình tính toán 3 bước:
    1. Phân tích kết cấu (ANSYS): Xây dựng mô hình 3D của linh kiện (gương cầu) và cụm gá cơ khí; thiết lập các điều kiện biên và lực kẹp tiếp xúc; trích xuất ma trận tọa độ chuyển vị $(dx, dy, dz)$ của toàn bộ các điểm nút trên bề mặt quang học.
    2. Làm khớp bề mặt và tính hệ số Zernike (Chương trình Delphi): Khớp các điểm nút biến dạng vào phương trình bề mặt phi cầu; phân tích bề mặt thành chuỗi đa thức Zernike Standard để tính toán các hệ số $A_j$ ($j = 1, 2, \dots, N$).
    3. Mô phỏng quang sai sóng (Zemax): Gán các hệ số $A_j$ vào bề mặt quang học tương ứng trong phần mềm Zemax để tính toán các thông số quang sai mặt sóng PV và RMS tại bước sóng khảo sát.
  • Thực nghiệm kiểm chứng trên gương cầu:
    • Thiết kế đồ gá cơ khí tác dụng lực nén có thể điều chỉnh và đo lực bằng cảm biến.
    • Tiến hành đo quang sai mặt sóng thực tế của gương dưới các cấp tải trọng nén khác nhau bằng giao thoa kế Zygo tại bước sóng $\lambda = 0,6328$ µm.
    • So sánh kết quả quang sai sóng giữa tính toán lý thuyết (ANSYS - Zernike - Zemax) và đo thực nghiệm giao thoa cho thấy sự trùng khớp cao về cả dạng phân bố mặt sóng lẫn giá trị định lượng PV và RMS (khi lực nén tăng lên tới 200 N, sai số mặt sóng PV và RMS đều tăng tuyến tính tương đồng).
Lực gá kẹp tác dụng (N) Quang sai PV lý thuyết (µm) Quang sai PV thực nghiệm (µm) Quang sai RMS lý thuyết (µm) Quang sai RMS thực nghiệm (µm)
Khảo sát theo các cấp lực Tính từ ANSYS-Zemax Đo trên Zygo Tính từ ANSYS-Zemax Đo trên Zygo
Tải trọng ban đầu ($F_1$) Giá trị nhỏ nhất Tương đương mô phỏng Giá trị nhỏ nhất Tương đương mô phỏng
Tải trọng trung bình ($F_i$) Tăng dần Tương quan tuyến tính Tăng dần Tương quan tuyến tính
Tải trọng cực đại ($200\text{ N}$) Đạt cực đại Đạt cực đại Đạt cực đại Đạt cực đại

Chương 3: Xây dựng mô hình thiết bị đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ thống quang học làm việc trong vùng phổ hồng ngoại 8-12 µm

Chương này mô tả chi tiết quá trình thiết kế, tối ưu hóa cơ quang và chế tạo các khối thành phần của mô hình thiết bị:

  • Thiết kế, chế tạo hệ chuẩn trực phản xạ:
    • Tính toán quang sai và thiết lập cấu hình quang học chuẩn trực phản xạ ngoài trục nhằm tránh hiện tượng che khuất chùm tia (obscuration).
    • Tối ưu hóa kết cấu cơ khí cụm gương chính và gương thứ cấp dựa trên phương pháp tính toán biến dạng gá kẹp ở Chương 2, loại bỏ các điểm tập trung ứng suất gây méo bề mặt gương.
    • Chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh trục quang của ống chuẩn trực.
    • Đo kiểm thông số: Kiểm tra tiêu cự ống chuẩn trực bằng phương pháp kính kinh vĩ; kiểm tra chất lượng mặt sóng tổng thể của ống chuẩn trực bằng giao thoa kế Zygo, khẳng định sai số mặt sóng đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra.
  • Thiết kế, chế tạo vật kính hiển vi hồng ngoại:
    • Thiết kế hệ quang học khúc xạ sử dụng nguyên lý các điểm aplanat của mặt khúc xạ đơn và thấu kính aplanat để triệt tiêu cầu sai và hôn sai tại bước sóng hồng ngoại.
    • Tối ưu hóa hệ thấu kính trên phần mềm Zemax để đạt độ phóng đại thiết kế và giới hạn nhiễu xạ.
    • Chế tạo các thấu kính từ vật liệu truyền qua dải hồng ngoại (như Germanium, Kẽm Selenua ZnSe), gia công cơ khí chính xác vỏ gá quang học.
    • Đo kiểm kích thước hình học và sai số biên dạng bề mặt thấu kính, quy đổi sai số hình dạng về bước sóng làm việc trung tâm $\lambda = 10,6$ µm (nguồn laser $\text{CO}_2$).

Chương 4: Các kết quả thực nghiệm

Chương này trình bày toàn bộ các thử nghiệm kiểm chứng chức năng từng khối và thử nghiệm đo kiểm thực tế trên các mẫu vật kính ảnh nhiệt:

  • Kiểm nghiệm hệ chuẩn trực và vật kính hiển vi:
    • Giao thoa kế Zygo xác nhận sai số mặt sóng của gương chuẩn trực sau khi lắp ráp đạt độ chính xác cao.
    • Thu nhận ảnh nhiệt của vật kính FLIR qua ống chuẩn trực với nguồn bức xạ vật đen.
    • Đo kiểm độ phóng đại của vật kính hiển vi hồng ngoại và thu nhận hình ảnh phóng đại của các lỗ chuẩn kích thước nhỏ (lỗ đường kính 0,3175 mm và lỗ đường kính 10 µm) với độ tương phản rõ ràng.
  • Đo tiêu cự vật kính ảnh nhiệt: Sử dụng mia dạng chữ H đặt tại tiêu diện ống chuẩn trực, tính toán tiêu cự vật kính cần kiểm tra dựa trên khoảng cách giữa các vạch ảnh nhiệt thu được.
  • Đo hàm LSF và MTF của các mẫu vật kính ảnh nhiệt thực tế:
    • Thực hiện quy trình xử lý tín hiệu: Chụp ảnh phân bố cường độ sáng của mia khe qua vật kính kiểm tra và vật kính hiển vi; thực hiện lọc nhiễu nền, chuẩn hóa mức xám để thu được đường cong hàm LSF; áp dụng thuật toán biến đổi Fourier 1 chiều để tính toán đường cong MTF thực nghiệm.
    • Thử nghiệm với mẫu vật kính thứ nhất: Kết quả đo MTF thực nghiệm có sự tương đồng chặt chẽ với đường cong MTF do nhà sản xuất công bố; khảo sát ảnh hưởng của việc lựa chọn phạm vi (vùng cửa sổ) đo PSF/LSF đến độ chính xác của đường cong MTF.
    • Thử nghiệm với mẫu vật kính thứ hai: Xác định chính xác hàm LSF và MTF, so sánh trực tiếp giữa đường cong tính toán lý thuyết và kết quả đo thực nghiệm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng phương pháp luận khoa học tính toán ảnh hưởng của cơ cấu gá lắp đến quang sai mặt sóng của linh kiện quang học: Thiết lập chuỗi liên kết tính toán khép kín giữa mô phỏng cơ học phần tử hữu hạn (ANSYS), thuật toán làm khớp bề mặt Zernike Standard (chương trình Delphi) và mô phỏng quang sai sóng (Zemax). Phương pháp này cho phép định lượng chính xác sự suy giảm chất lượng mặt sóng của linh kiện (gương cầu, thấu kính, gương phẳng) dưới tác động của lực kẹp cơ khí, khắc phục hạn chế của các phương pháp thiết kế quang - cơ truyền thống.
  2. Xây dựng cơ sở tính toán và thiết kế hệ thống đo kiểm quang học hồng ngoại: Cung cấp quy trình tính toán, thiết kế quang học và kết cấu cơ học cho hệ chuẩn trực phản xạ và vật kính hiển vi hồng ngoại aplanat làm việc trong dải 8–12 µm.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Chế tạo thành công mô hình thiết bị đo kiểm hệ thống quang học hồng ngoại 8–12 µm: Tự chủ thiết kế, gia công, hiệu chỉnh và tích hợp hoàn chỉnh mô hình thiết bị đo tại Việt Nam, bao gồm hệ chuẩn trực phản xạ tiêu cự lớn, cụm vật đen nhiệt điện TEC, cụm bánh xe mục tiêu và vật kính hiển vi hồng ngoại.
  2. Xây dựng phần mềm xử lý ảnh và đo lường quang học chuyên dụng: Phát triển phần mềm thu nhận ảnh nhiệt, tự động lọc nhiễu, trích xuất hàm nhòe đường LSF, tính toán biến đổi Fourier xác định hàm truyền điều biến MTF và đo tiêu cự của các vật kính ảnh nhiệt mẫu với độ tin cậy cao.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình tính toán cơ - quang ANSYS - Zernike - Zemax vào tiêu chuẩn thiết kế các cụm gá đặt quang học chính xác trong các dự án chế tạo khí tài quang học tiếp theo.
  • Khai thác mô hình thiết bị đã chế tạo để phục vụ công tác kiểm tra chất lượng, đánh giá nghiệm thu các cụm thấu kính và vật kính ảnh nhiệt tại các cơ sở nghiên cứu và nhà máy sản xuất quang học trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Hệ thống mới dừng lại ở mức độ mô hình thiết bị phòng thí nghiệm, chưa được tích hợp đóng gói thành một thân vỏ máy đo thương mại hoàn chỉnh (như các hệ thống công nghiệp của Optikos hay Inframet).
  • Luận án mới tập trung nghiên cứu, tính toán ảnh hưởng của kết cấu gá kẹp cho linh kiện quang học đơn lẻ (điển hình là gương cầu trong hệ chuẩn trực), chưa mở rộng tính toán đồng thời biến dạng nhiệt và lực gá lắp cho toàn bộ chuỗi cơ khí phức hợp đa thấu kính trong thân ống kính.
  • Mô hình đo thực nghiệm hiện tại tập trung đánh giá chất lượng tạo ảnh trên trục quang; việc đánh giá các điểm ngoài trục quang trường rộng đòi hỏi hệ thống xoay góc cơ khí có độ chính xác cao hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Hoàn thiện kết cấu cơ khí tổng thể và phần cứng điều khiển tự động để nâng cấp mô hình thành thiết bị đo kiểm thương mại hoàn chỉnh.
  • Nghiên cứu mở rộng phương pháp tính toán ảnh hưởng tương tác nhiệt - cơ - quang (STOP analysis - Structural, Thermal, Optical Performance) cho các hệ quang học làm việc trong điều kiện môi trường nhiệt độ khắc nghiệt.
  • Mở rộng dải đo kiểm của thiết bị sang các dải sóng hồng ngoại khác như SWIR (1–3 µm) và MWIR (3–5 µm).

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật quang điện tử, Khí tài quang học: Tham khảo phương pháp luận mô phỏng tương tác kết cấu cơ khí và quang sai sóng (ANSYS - Zernike - Zemax), phương pháp thiết kế hệ chuẩn trực phản xạ và quang học hồng ngoại.
  • Kỹ sư thiết kế cơ - quang tại các viện nghiên cứu và nhà máy quốc phòng: Sử dụng quy trình tính toán lực gá kẹp để thiết kế đồ gá quang học chính xác, tránh làm suy giảm chất lượng linh kiện sau gia công.
  • Cán bộ kiểm định, đo lường chất lượng quang học: Ứng dụng thuật toán và quy trình đo LSF/MTF để xây dựng quy trình đo kiểm, thử nghiệm ống kính ảnh nhiệt.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Thuật toán và chương trình làm khớp dữ liệu nút phần tử hữu hạn vào chuỗi đa thức Zernike Standard.
  • Thiết kế hệ quang học thấu kính aplanat cho dải phổ hồng ngoại 8–12 µm trên Zemax.
  • Quy trình chuẩn hóa ảnh nhiệt, lọc nhiễu và xử lý toán học từ ảnh mia khe sang đường cong MTF thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn phương pháp đo hàm nhòe đường LSF thay vì đo trực tiếp hàm nhòe điểm PSF hay hàm nhòe cạnh ESF?

Hàm PSF tuy chứa đầy đủ thông tin nhất nhưng yêu cầu nguồn sáng điểm (qua lỗ kích thước micromet) khiến mức năng lượng bức xạ hồng ngoại truyền qua cực kỳ yếu, đòi hỏi đầu thu có độ nhạy rất cao và dễ bị nhiễu. Ngược lại, phương pháp ESF (mia cạnh) đơn giản về vật mẫu nhưng phải qua phép vi phân trung gian để tìm LSF rồi mới biến đổi Fourier sang MTF, làm tích lũy sai số tính toán và sai số làm khớp hàm. Phương pháp đo LSF sử dụng mia khe hẹp có mức năng lượng bức xạ cao hơn nhiều so với PSF, không phải qua bước vi phân trung gian như ESF, đồng thời các sai số hệ thống và sai số pha ở vùng tần số cao có thể khắc phục hiệu quả bằng thuật toán lấy trung bình nhiều khung ảnh.

2. Nguyên lý liên kết giữa phần mềm ANSYS, đa thức Zernike và phần mềm Zemax trong luận án là gì?

Khi linh kiện quang học chịu lực gá kẹp, phần mềm ANSYS tính toán chuyển vị cơ học của hàng ngàn điểm nút trên bề mặt. Do Zemax không thể đọc trực tiếp lưới phần tử hữu hạn dạng thô này, tác giả xây dựng chương trình (ngôn ngữ Delphi) làm khớp tọa độ biến dạng của các điểm nút với chuỗi đa thức trực giao Zernike Standard để trích xuất bộ hệ số $A_j$. Sau đó, các hệ số $A_j$ được nhập trực tiếp vào định nghĩa bề mặt Zernike trong Zemax để tái tạo chính xác biên dạng mặt quang học bị biến dạng và tính toán quang sai mặt sóng (PV, RMS).

3. Tại sao hệ chuẩn trực của thiết bị đo quang hồng ngoại lại ưu tiên sử dụng sơ đồ phản xạ (gương) thay vì sơ đồ khúc xạ (thấu kính)?

Vật liệu quang học trong suốt ở vùng hồng ngoại 8–12 µm (như Germanium, ZnSe) rất đắt tiền, khó gia công ở đường kính thông quang lớn (100–200 mm) và có hiện tượng sắc sai. Ống chuẩn trực phản xạ sử dụng gương kim loại/thủy tinh mạ phản xạ hoàn toàn không có sắc sai, dải phổ làm việc rất rộng (từ 1 µm đến trên 15 µm bao quát cả SWIR, MWIR, LWIR), giá thành chế tạo hợp lý và đáp ứng độ chính xác mặt sóng nhỏ hơn $\lambda/10$.

4. Vai trò của vật kính hiển vi hồng ngoại trong mô hình thiết bị đo là gì?

Vết ảnh của mục tiêu (mia khe hoặc mia lỗ) tạo bởi vật kính ảnh nhiệt cần kiểm tra thường có kích thước rất nhỏ (cỡ micromet), nếu thu nhận trực tiếp lên cảm biến ảnh nhiệt có kích thước điểm ảnh (pixel pitch) thông thường (12–17 µm) thì một vết ảnh chỉ chiếm một vài điểm ảnh, gây hiện tượng méo dạng và suy giảm độ phân giải do giới hạn lấy mẫu. Vật kính hiển vi hồng ngoại có nhiệm vụ phóng đại vết ảnh này lên nhiều lần trước khi chiếu vào ma trận cảm biến của camera, giúp ma trận đầu thu ghi nhận đầy đủ phân bố năng lượng không gian để tính toán chính xác hàm LSF và MTF.

5. Thực nghiệm kiểm chứng phương pháp tính toán cơ - quang được thực hiện như thế nào và cho kết quả ra sao?

Tác giả đã chế tạo cụm gá nén gương cầu thực nghiệm, tác dụng các cấp lực nén cơ học đo được (từ lực nhỏ đến 200 N) và đo đạc trực tiếp bản đồ quang sai mặt sóng thực tế bằng giao thoa kế laser Zygo ($\lambda = 0,6328$ µm). Kết quả đối chứng cho thấy sự tương quan và nhất quán chặt chẽ giữa các giá trị PV, RMS tính toán từ chuỗi mô phỏng ANSYS - Delphi - Zemax và số liệu đo đạc thực tế trên máy Zygo, khẳng định tính đúng đắn của phương pháp số học đề xuất.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Anh Quang đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc thiết lập phương pháp luận khoa học tính toán ảnh hưởng của biến dạng cơ khí gá lắp đến quang sai mặt sóng linh kiện quang học và chế tạo thành công mô hình thiết bị đo kiểm chất lượng tạo ảnh của hệ quang hồng ngoại dải 8–12 µm đầu tiên tại Việt Nam. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng phần tử hữu hạn, quang học sóng Zernike và thực nghiệm kiểm chứng trên giao thoa kế Zygo cũng như các mẫu vật kính ảnh nhiệt thực tế. Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học vững chắc và khả năng ứng dụng thực tiễn cao, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế, chế tạo và kiểm định khí tài quang điện tử ảnh nhiệt.